Caractéristiques générales Un capteur est un dispositif qui permet d'appréhender une grandeur physique telle que la t°, la pression, la vitesse... La grandeur physique est appelée Mesurande (m) et les opérations qui conduisent à la connaissance de la valeur numérique de la mesure est appelée Mesurage. La réponse (s) d'un capteur est une grandeur électrique passive ou active, c'est a dire, soit une impédance, soit un courant ou une tension. La mesure de (s) doit permettre de connaitre la valeur de (m). Pour tout capteur, on a la relation : s = F(m). Celle relation résulte de la loi physique qui régit le fonctionnement du capteur. La représentation numérique de s = F(m) constitue l'étape d'étalonnage. A toute valeur mesurée de (s), le capteur permet d'associer la valeur de (m) Mesurande --> Capteur --> Réponse (s) En général on tente une relation d'établir une relation linéaire entre s et m ou plus précisément entre Δs et Δm. Δs = s.Δm avec s = Δs/Δm : sensibilité du capteur. s doit être constante et indépendante de : la valeur de (m) la fréquence de variation de (m) du temps (vieillissement) l'action des grandeurs d'influence : autres grandeurs que celle mesurée. Classement des capteurs Capteurs actifs Ils se comportent comme une source, la réponse (s) est donc une charge, une tension ou un courant. Le principe de ces capteurs repose sur la conversion d'un effet physique en énergie électrique. Mesurande Effet Réponse Température Thermoélectricité Tension Flux de rayonnement optique Effet Courant photovoltaïque/photoélectrique Tension Force, pression ou accélération Piézoélectrique Charge Vitesse Induction Tension Electromagnétisme Position Effet Hall Tension Effet thermo: Soit un circuit composé de 2 conducteurs différents, si les fonctions sont à des t° différentes, alors il existe une f.e.m dans le circuit. Effet photoélectrique: Certains matériaux (faible travail de sortie) soumis a un rayonnement EM libèrent des e- que l'on peut collecter et obtenir ainsi un courant. Effet photovoltaïque A la jonction de 2 semi-conducteurs, p et n, soumise a un rayonnement EM, il apparait des e- et des trous. Leur déplacement dans le champ électrique de la jonction change la tension aux bornes de celle-ci. Effet piézoélectrique L'application d'une constante mécanique sur un matériau piézoélectrique produit une déformation qui entraine l'apparition des charges en surface. Effet d'induction EM Un conducteur se déplaçant dans un champ d'induction fixe est le siège d'une f.e.m proportionnelle à sa vitesse de déplacement (la réciproque est vraie) Effet Hall Lorsqu'un courant traverse un barreau en matériau S/C ou on conducteur et si un champ magnétique d'induction B est appliqué perpendiculairement au sens de passage du courant, une tension appelée tension de Hall proportionnellement au champ magnétique et au courant apparait sur les faces latérales du barreau. EH = -v Λ B VHall α I et B Capteurs passifs Mesurande Propriétés électrique sensible Matériaux utilisés T° Résistivité Métaux / S/C ste Très basse T° C diélectrique Verres Flux optique Déformation Position Humidité Niveau Résistivité Résistivité Perméabilité magnétique Résistivité Résistivité Cste diélectrique Cste diélectrique S/C Alliage Ni-Si dopé Ferromagnétique Bismuth, InSb Li Alumine, polymère Liquides isolants Corps d'épreuves Quand un capteur n'est pas directement sensible au mesurande (m), on utilise un intermédiaire qui lui est sensible aux effets du mesurande (m). Le corps d'épreuve est donc un dispositif qui donne une première traduction du mesurande principal. Grandeur phys. non élec. --> Mesurande secondaire --> Réponse (s) électrique Les corps d'épreuve sont utilisées pour la mesure des grandeurs mécaniques telles que la mesure de la traction mécanique, la mesure de la pression acoustique etc... Les grandeurs d'influence Le capteur peut être soumis à l'action du mesurande (m) mais aussi et simultanément à d'autres grandeurs physiques qui modifient le signal de sortie (s). Dans ce cas, il n'est pas possible de distinguer la véritable action du mesurande. Cest grandeurs physiques parasites sont appelés grandeurs d'influence. Les principales grandeurs d'influence sont : la t° qui peut modifier les caractéristiques électriques la pression mais aussi l'accélération, les vibrations qui induisent des déformations et des contraintes sur les éléments du capteur modifiant ainsi la réponse (s) les alimentations électriques (transformateurs) Si g1, g2... sont des grandeurs d'influence, la relation fondamentale du capteur s = F(m) devient s = F(m,g1,g2...) Le problème sera donc de les stabiliser par rapport aux variations du mesurande (m) La solution la plus fréquente est l'utilisation de montage permettant de compenser ces grandeurs parasites. Conditionneurs des capteurs passifs Principaux types de conditionneurs L'impédance Zc d'un capteur passif liée à (m) ne peut être traduite sous forme électrique qu'en associant au capteur une source de courant ou tension ainsi que d'autres impédances. C'est ce qu'on appelle le conditionneur du capteur. On distingue 2 types de conditionneurs : ceux qui agissent sur l'amplitude du signal de mesure (montage potentiométrique on en pont) ceux qui agissent sur la fréquence du signal de mesure (oscillateurs) Montage potentiométrique Le montage est simple, malheureusement il est très sensible aux grandeurs parasistes Mesure des résistances Vm est la tension mesurée aux bornes du capteur. Rd est la résistance d'entrée de l'appareil de mesure. Vm = ((Rc.Rd)/(Rc+Rd).E)/(Rs+R1+(Rc.Rd/Rc+Rd)) =(Rc.Rd.Es)/((Rs+R1)(Rc+Rd)+Rc.Rd) Que devient Vm si Rd>>Rc Rc/Rd << 1 Vm = (Rd.Rc.Es)/(Rd[(Rs+R1)(Rc/Rd+1).Rc]) Vm = (Rc.Es)/((Rs+R1)(Rc/Rd+1)+Rc) Vm = Rc.Es/Rs+R1+RC Les jauges d'extensométrie Grandeurs mécaniques importantes: déformation ε : ε = Δl/l0 déformation électrique contrainte σ Force par unité de section Limite d'élasticité Contrainte maximale ne produisant pas de déformation permanente supérieur à 0.2% Elle s'exprime en kgf/mm² Loi de Hooke Dans le domaine élastique : σ = E. ε E : module d'Young E est défini par : ε = 1/E.F/S = 1/E. σ ε : déformation perpendiculaire au sens de la contrainte Coefficient de Poisson ε+ = -ν. ε Dans le domaine élastique, ν est voisin de 0.3